Multi-Source Data Retrieval in IoT via Named Data Networkingedvar/disciplinas/Apresentacao3... ·...

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Programa de Engenharia Elétrica - PEE/COPPE/UFRJ

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Multi-Source Data Retrieval in IoT via Named Data Networking

Autoras: Marica Amadeo, Claudia Campolo e Antonella Molinaro

First ACM Conference in Information Centric Networking (ICN, 2014)

2

Sumário

• Introdução

• Proposta

• Implementação e Avaliação

• Conclusão

• Avaliação do trabalho

• Avaliação do artigo

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Introdução

Named-Data Networking: Uma das propostas de nova arquitetura de rede para a Internet do Futuro.

4

Introdução

Named-Data Networking (NDN) – Primeira exposição 2009 / Future Internet Architeture

•Introdução

Named-Data Networking: Uma das propostas de nova arquitetura de rede para a Internet do Futuro.

5

Introdução

Resultou de crescentes pesquisas relacionadas a resolver problemas antigos da tecnologia base da Internet atual (TCP/IP)

Named-Data Networking (NDN) – Primeira exposição 2009 / Future Internet Architeture

•Introdução

Named-Data Networking: Uma das propostas de nova arquitetura de rede para a Internet do Futuro.

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Introdução

Resultou de crescentes pesquisas relacionadas a resolver problemas antigos da tecnologia base da Internet atual (TCP/IP)

Relacionada Content-Centric Networking, Information-Centric Networking, Data-Oriented Networking

Named-Data Networking (NDN) – Primeira exposição 2009 / Future Internet Architeture

•Introdução

Named-Data Networking: Uma das propostas de nova arquitetura de rede para a Internet do Futuro.

7

Introdução

Endereços

Dados

Nós

Local

Mudança de Ponto de Vista

TCP/IP

8

Introdução

Nomes

Nós

Dados

Distribuído

Endereços

Dados

Nós

Local

Mudança de Ponto de Vista

TCP/IP NDN

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Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

10

Introdução

Encaminhamento em NDN

R2Funcionamento Básico em arquitetura pull-based

h1

h2s1

R3

R4

R5

R1

11

Introdução

Encaminhamento em NDN

Pacotes de Interesse

Envio de requisições.Ex: /netflix/GoT/s01e01.mkv

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

12

Introdução

Encaminhamento em NDN

Pacotes de Interesse

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

13

Introdução

Encaminhamento em NDN

Resposta.Ex: /netflix/GoT/s01e01.mkv

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

Pacotes de Dados

R1

14

Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

Pacotes de Dados

R1

15

Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

Informação pode ficar armazenada em cache de forma distribuída pelos roteadores.

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Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

/netflix/GoT/s01e01.mkv

17

Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

/netflix/GoT/s01e01.mkv

18

Introdução

Encaminhamento em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

• Content Store (CS)

• Pending Interest Table (PIT)

• Forwarding Information Table (FIB)

19

Introdução

Segurança em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

20

Introdução

Segurança em NDN

h1

h2s1

R2 R3

R4

R5

R1

21

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

22

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS

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Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS

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Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

CS

Pacote de Dados

25

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS

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Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT

27

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT

28

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT

Pacote Descartado

29

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT

30

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT FIB

31

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT FIB

32

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Interesse

CS PIT FIB

33

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

CS PIT FIB

Pacote de Dados

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Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Dados

CS PIT FIB

35

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Dados

CS PIT FIB

36

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Dados

CS PIT FIB

37

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

Pacote de Dados

CS PIT FIB

38

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

CS PIT FIB

Pacote de Dados

39

Introdução

Encaminhamento em NDN

Nó NDN

CS PIT FIB

Pacote de Dados

(Opcional)

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Proposta

Motivação:

• NDN é adequada para sistemas IoT porque:

• Em grande parte, aplicações IoT têm interesses nos dados. Não na localização ou identidade do produtor;

• Permite a coleta de informação apenas com o nome do conteúdo;

• Permite desenvolvimento de sistemas mais simples, resultando em mais confiabilidade e eficiência de energia;

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Proposta

Problema:

• Os autores identificam que NDN não se adequa nativamente à IoT quando:

É necessário coletar simultaneamente múltiplos dados do mesmo tipo de múltiplas fontes diferentes;

• A dificuldade com NDN está relacionada a natureza de relação 1 para 1 entre os pacotes de Interesse e de Dados;

• O foco do artigo é resolver esse problema;

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Proposta

Problema:

• Os autores identificam que NDN não se adequa nativamente à IoT quando:

É necessário coletar simultaneamente múltiplos dados do mesmo tipo de múltiplas fontes diferentes;

• A dificuldade com NDN está relacionada a natureza de relação 1 para 1 entre os pacotes de Interesse e de Dados;

• O foco do artigo é resolver esse problema;

Solução: Usar a arquitetura NDN, comalgumas adaptações, para realizar coletade dados de múltiplos dispositivos IoT,sem fio, que respondem a um mesmopacote de Interesse.

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

Nomes adequados quepermitam a coleta dosdados em dispositivosdistintos. O nó consumidortambém deve ser capazde, pelo nome, identificaro dado coletado;

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

Para suportar coleta dedados múltipla com apenas1 pacote de Interesse atabela PIT não deveapagar imediatamente oregistro quando há matchcom um Pacote de Dados.

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

Devido a naturezacompartilhada do canal semfio, a solução deve ter umamecanismo para evitar acolisão dos múltiplos pacotesde Dados que serãoproduzidos simultaneamente.

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

O canal sem fio é maissusceptível a ruídos e erros natransmissão. Devem serconsiderados mecanismospara controle e retransmissãode pacotes de Interesse eDados, quando aconfiabilidade é um requisito.

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Proposta

Principais desafios identificados na proposta:

• Diversidade de Nome;

• Não eliminar entradas na PIT;

• Colisão de dados;

• Canal não confiável;

• Redundância de dados;

Deve haver um mecanismo paraajustar a quantidade derespostas de acordo com oesperado pela aplicação, quepode ter suas restrições.

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Proposta

Mecanismo da proposta:

• Mecanismo foi desenvolvido e implementado em 2 cenários:

(i) Produtores estão a apenas 1 salto de distância do consumidor;

(ii) Coleta requisitada por uma aplicação rodando num host remoto;

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Proposta

Soluções da proposta:

Desafio Solução

Diversidade de Nome Usa um nome de prefixo comum nos pacotes de Interesse msINT. Os pacotes de Dados devem usar msINT mais uma nome particular do dispositivo.

Não eliminar entradas na PIT Uma entrada de prefixo msINT é mantida até o tempo de vida expirar. Múltiplos Pacotes de Dados são aceitos.

Colisão de dados Tempos de envio são definidos para espalhar no tempo o envio de dados das múltiplas fontes.

Canal não confiável O pacote de Interesse msINT é reenviado quando o tempo de vida expira. O campo EXCLUDE é usado para indicar os produtores que já responderam.

Redundância de dados Overhearing é reforçado no lado do produtor para cancelar transmissão de dados.

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Proposta - Consumidor Local

Cenário com consumidor Local:

• Um Collection Point (CP) deseja coletar dados de N produtores. O número N pode ser previamente conhecido por CP ou pode ser para atender um parâmetro de precisão desejado;

• Para fixar a coleta localmente, o campo Scope é configurado para o valor 2;

Scope

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Proposta - Consumidor Local

Cenário com consumidor Local:

• Exemplos de nomes: CP envia Interesse com msINT/temperature; Produtor responde com msINT/temperature/bathroom;

• Não eliminar entradas na PIT: O CP somente apaga o prefixo msINTquando o tempo TmsINT expira;

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Proposta - Consumidor Local

Evitando colisões:

• Propõem a técnica consumer-aided: O consumidor define regras para evitar colisões e suprimir dados enviados pelos produtores;

• As regras são especificadas nos campos opcionais dos pacotes de Interesse;

• A cada pacote de Interesse é enviado com um maximum NDN contention window (NCWmax) e um slot de tempo, Vslot;

• Cada produtor gera um número randômico, Ε [0, NCWmax –1]. E aguardar para enviar o Pacote de Dados,

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Proposta - Consumidor Local

Redundância de dados:

• Usa os campos opcionais para definir as regras. Exemplo: Se o consumidor define que deseja receber N mensagens e o produtor, enquanto ouve o canal e espera , ouve N transmissões. Pode cancelar sua transmissão;

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Proposta - Consumidor Local

Aumentando a confiabilidade do sistema:

• Um CP envia uma mensagem msINT e aguarda N pacotes de Dados no tempo TmsINT

• Se TmsINT expira e CP tiver recebido M pacotes de dados (M < N), nova msINT é enviada com o campo EXCLUDE preenchido;

• EXCLUDE é preenchido com o nome dos produtores que ainda não responderam. Ex: [kitchen;bathroom];

• Somente os produtores cujos nomes não aparecem na lista EXCLUDE, respondem;

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Proposta - Consumidor Remoto

Consumidor Remoto (Remote Consumer - RC):

• RC solicita dados a CP que, por sua vez, interage com os produtores;

RC

CP

Produtores

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Proposta - Consumidor Remoto

Consumidor Remoto (Remote Consumer - RC):

• RC solicita dados a CP que, por sua vez, interage com os produtores;

RC

CP

ProdutoresLLI (Long-Live Interest)*

* Proposto nos trabalhos [1] e [2]: São Pacotes de Interesse criados com longo Tempo de vida com o objetivo de maximizar a coleta de Dados com o mesmo nome, em diferentes instantes de tempo.[1] ACT: AudioConference Tool over Named-Data Networking;[2] Content-Based Publish/Subscribe Networking and Information Centric-Networking;

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Proposta - Consumidor Remoto

Consumidor Remoto (Remote Consumer - RC):

• RC solicita dados a CP que, por sua vez, interage com os produtores;

RC

CP

ProdutoresLLI (Long-Live Interest)*

Ao receber um LLI, o CPverifica se há Pacotes deDados em Cash para respostaimediata. Caso contrário,envia um msINT embroadcast para os produtores.

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Implementação e Avaliação

• A arquitetura foi desenvolvida utilizando o simulador NS-3 e o ndnSIM;

• Para avaliação foram considerados 2 cenários:

(i) Automação de casa, onde o CP é o único consumidor e coleta dados de produtores sob seu controle;

(ii) Rede veicular, onde um consumidor remoto envia solicitações para o CP que coleta os dados de produtores visinhos, cujas identidades e quantidades não é sabida previamente;

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Implementação e Avaliação

• Todos os resultados foram calculados com 10 rodadas de simulação e intervalo de confiança de 95 %;

• Parâmetros das simulações:

61

Implementação e Avaliação

• Indicadores de desempenho:

(i) Interest Overhead = Média da taxa “pacotes de Interesse transmitidos pelo CP / pacotes de dados recebidos pelo CP” a cada rodada;

(ii) Tempo de coleta: Tempo para receber os pacotes de dados dos N produtores a cada rodada;

(iii) Interest/Data: Número de pacotes transmitidos e recebidos durante todo o tempo de monitoração.

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Implementação e Avaliação

Avaliação da rotina para evitar colisões: Vslot é setado pro mesmo valor do IEEE 802.11g

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Implementação e Avaliação

Avaliação da rotina para evitar colisões:

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Implementação e Avaliação

Comparando os modos SSID (Single Interest-Single Data) com aSIMD (AdaptiveSingle Interest-Multiple Data):

aSIMD varia o valor do NCWmax.

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Implementação e Avaliação

Comparando os modos SSID (Single Interest-Single Data) com aSIMD (AdaptiveSingle Interest-Multiple Data):

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Implementação e Avaliação

Comparando os modos SSID (Single Interest-Single Data) com aSIMD (AdaptiveSingle Interest-Multiple Data):

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Implementação e Avaliação

Cenário de Rede Veicular:

• CP é uma RSU de uma estrada de pista dupla;

• Cada pista da estrada possui 3 faixas de rolagem;

• Interesse da estação remota (Remote Control Center - RCC) é informações de velocidade média dos veículos entre os quilômetros 20 e 21 da pista sentido norte;

• Os veículos possuem GPS e se comunicam com rede sem fio 802.11p

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Implementação e Avaliação

Cenário de Rede Veicular:

• RCC envia pacote LLI com o nome: /traffic/speed/highwayA1/North/{20,21}

• A RSU recebe o pacote LLI e envia um pacote msINT através de um broadcast para os veículos. Número de veículos variou de 40 a 80;

• Após receber uma determinada quantidade de Pacotes de Dados, a RSU calcula a média e envia para a RCC;

• É possível haver retransmissões de msINT para maximizar a coleta até o tempo de coleta expirar. Variou as retransmissões de 0 a 3;

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Implementação e Avaliação

Cenário de Rede Veicular:

w/o EF -> Ocampo Excludenão é usado.Há maiscolisões.

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Implementação e Avaliação

Cenário de Rede Veicular:

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Implementação e Avaliação

Cenário de Rede Veicular: Uso do campo Exclude resulta em menor uso da banda e economia de energia nos produtores.

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Conclusão

• A proposta atingiu os objetivos esperados e apresentou resultados superiores a outras formas de aplicar NDN à IoT;

• Proposta foi inovadora na aplicação do esquema de evitar colisão comandada pelo consumidor;

• Trabalhos Futuros:

• Desenvolver a proposta para ambiente IoT com múltiplos saltos;

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Avaliação do trabalho

• Aplicação criativa para o campo Exclude ≠ NDN tradicional;

• Poderia implementar comparações de desempenho com arquitetura TCP/IP ou similares (Ex: CoAP, 6LoWPAN)

• Trabalho futuro com implementação real não apenas nos simuladores NS3 e ndnSIM;

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Avaliação do artigo

Pontos fortes e fracos:

Pontos fortes Pontos fracos

Trabalho relevante pra área e inovador;

Algumas informações são colocadas sem propósito claro. Ex: O RSU e RCC não são relevantes para o experimento

Muitas citações recentes pra época;(22, + antiga c/ 5anos);

Não compara desempenho com outras arquiteturas não NDN;

Boa organização das ideias e didática para detalhar o sistema.

Poderia aproveitar melhor o espaço do artigo;

Não fica claro o motivo de escolha de alguns parâmetros, por exemplo: números de 40 e 80 carros. Além do mecanismo próprio para evitar colisão.

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Obrigado